أساسيات فيزياء الجسيمات الأولية

يعود مفهوم الجسيمات الأساسية غير القابلة للتجزئة إلى اليونانيون القدماء (مفهوم يعرف باسم "الذرة"). في القرن العشرين ، بدأ الفيزيائيون استكشاف الأحداث على أصغر مستويات المادة ، وكان من بين اكتشافاتهم الحديثة المذهلة كمية الجسيمات المختلفة في الكون. فيزياء الكم يتنبأ بـ 18 نوعًا من الجسيمات الأولية ، وقد تم بالفعل اكتشاف 16 نوعًا تجريبيًا. تهدف فيزياء الجسيمات الأولية إلى العثور على الجسيمات المتبقية.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، الذي يصنف الجسيمات الأولية إلى عدة مجموعات ، هو في صميم الفيزياء الحديثة. في هذا النموذج ، ثلاثة من أربع قوى أساسية للفيزياء موصوفة ، مع بوزونات القياس ، الجزيئات التي تتوسط تلك القوى. على الرغم من أن الجاذبية ليست مدرجة من الناحية الفنية في النموذج القياسي ، فإن الفيزيائيين النظريين يعملون على تمديد النموذج ليشمل والتنبؤ نظرية الجاذبية الكمومية.

إذا كان هناك شيء واحد يبدو أن فيزيائيي الجسيمات يتمتعون به ، فهو تقسيم الجسيمات إلى مجموعات. الجسيمات الأولية هي أصغر مكونات المادة والطاقة. بقدر ما يمكن للعلماء أن يقولوا ، لا يبدو أنهم مصنوعون من مجموعات من أي جسيمات أصغر.

يتم تصنيف جميع الجسيمات الأولية في الفيزياء إما الفرميونات أو بوزونات. توضح فيزياء الكم أن الجسيمات قد يكون لها "دوران" جوهري غير صفري ، أو الزخم الزاوي، المرتبط بهم.

فرميون (سميت باسم إنريكو فيرمي) هو جسيم مع دوران نصف عدد صحيح ، في حين أن البوزون (المسمى بعد Satyendra Nath Bose) هو جسيم به عدد صحيح أو دوران صحيح. تؤدي هذه الدورات إلى تطبيقات رياضية مختلفة في مواقف معينة. توضح الرياضيات البسيطة لإضافة أعداد صحيحة ونصف أعداد صحيحة ما يلي:

• يؤدي الجمع بين عدد فردي من الفرميونات إلى فرميون لأن إجمالي الدوران سيظل بقيمة نصف عدد صحيح.
• يؤدي الجمع بين عدد زوجي من الفرميونات إلى بوزون لأن إجمالي الدوران ينتج قيمة صحيحة.

الفرميونات لها دوران جسيم يساوي نصف عدد صحيح (-1/2 ، 1/2 ، 3/2 ، إلخ). تشكل هذه الجسيمات المادة التي نلاحظها في كوننا. المكونان الأساسيان للمادة هما جسيمات دون الذرية ولبتن. كل من هذه الجسيمات دون الذرية هي الفرميونات ، لذلك يتم إنشاء جميع البوزونات من مجموعة متساوية من هذه الجسيمات.

الكواركات هي فئة الفرميون التي تتكون منها الهدرونات ، مثل البروتونات و النيوترونات. الكواركات هي جسيمات أساسية تتفاعل من خلال القوى الأربع الأساسية للفيزياء: الجاذبية ، الكهرومغناطيسيةوتفاعل ضعيف وتفاعل قوي. توجد الكواركات دائمًا معًا لتكوين جزيئات دون ذرية تُعرف باسم الهدرونات. هناك ستة أنواع متميزة من الكواركات:

• كوارك القاع
• كوارك غريب
• داون كوارك
• توب كوارك
• سحر كوارك
• يصل Quark

اللبتونات هي نوع من الجسيمات الأساسية التي لا تواجه تفاعلًا قويًا. هناك ستة أنواع من لبتون:

• إلكترون
• إلكترون نيوترينو
• ميون
• Muon Neutrino
• تاو
• تاو نيوترينو

كل واحدة من "النكهات" الثلاثة لليبتون (الإلكترون والميون والتاو) تتكون من "زوجي ضعيف" ، وهو الجسيم المذكور إلى جانب جسيم محايد بلا كتلة تقريبًا يسمى النيوترينو. وبالتالي ، فإن لبتون الإلكترون هو ضعف الزوجي الإلكترون والنيوترينو الإلكتروني.

البوزونات لها دوران جسيم يساوي عددًا صحيحًا (الأعداد الصحيحة مثل 1 ، 2 ، 3 ، وما إلى ذلك). تتوسط هذه الجسيمات القوى الأساسية للفيزياء تحت نظريات المجال الكمومي.

• الفوتون
• W Boson
• Z Boson
• غلوون
• هيجز بوسون
• الجرافيتون

الهدرونات هي جسيمات مكونة من كواركات مترابطة معًا متعددة بحيث تكون قيمة دورانها نصف عدد صحيح. ينقسم Hadrons إلى ميزون (وهي بوزونات) وباريونات (وهي فرميونات).

• ميزون
• باريون
• نيوكليونات
• Hyperons: جزيئات قصيرة العمر تتكون من كواركات غريبة

الجزيئات هي هياكل معقدة تتكون من ذرات متعددة مرتبطة ببعضها البعض. تتكون الكتلة الذرية الأساسية للمادة ، الذرات من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات. البروتونات والنيوترونات هي نوكليونات ، وهي نوع الباريون الذي يشكل معًا الجسيمات المركبة التي هي نواة الذرة. إن دراسة كيفية ارتباط الذرات معًا لتكوين هياكل جزيئية مختلفة هي أساس الحديث كيمياء.

قد يكون من الصعب الحفاظ على جميع الأسماء مستقيمة في فيزياء الجسيمات ، لذلك قد يكون من المفيد التفكير في عالم الحيوان ، حيث قد تكون هذه التسمية المنظمة مألوفة وأكثر حدسية. البشر هم الرئيسيات والثدييات والفقاريات أيضًا. وبالمثل ، فإن البروتونات هي نيوكليونات ، وباريونات ، وهاردرونات ، وكذلك فيرميونات.

الاختلاف المؤسف هو أن المصطلحات تميل إلى أن تبدو متشابهة مع بعضها البعض. الخلط بين البوزونات والباريونات ، على سبيل المثال ، أسهل بكثير من الخلط بين الرئيسيات واللافقاريات. الطريقة الوحيدة لفصل مجموعات الجسيمات المختلفة هذه حقًا هي دراستها بعناية ومحاولة توخي الحذر بشأن الاسم المستخدم.

حررت بواسطة آن ماري هيلمينستين ، د.